2019年褐煤的微生物降解研究.doc

中国矿业大学

《生物工程专题研究》结题报告专题题目：褐煤的微生物降解研究

学院化工学院

班级2008级生物工程2班

姓名吴金钛

学号06082854

分数

评阅教师

二O一一年十二月五日

褐煤的微生物降解研究

吴金钛

（中国矿业大学化工学院，江苏省徐州市，221116）

摘要我国已探明褐煤的保有储量是1300亿吨，占煤炭储量的13%[1]。这些低阶煤直接燃烧不仅热效率低，工业应用价值低，长期堆放还会造成能源的浪费和环境的污染。因此褐煤的合理开发和充分利用成为一个指的人们深思的研究课题。而褐煤的生物转化和利用研究为人们开辟了一条实现煤炭高效和清洁利用及可持续发展道路。对维护全球的健康发展和人类生存有着重要的贡献和深远的意义。

关键词褐煤生物降解

1.褐煤的微生物降解研究的意义

褐煤是一种只经过岩化作用而质变作用不充分的低阶煤，有的仍保有植株的原貌，也正因为如此褐煤含水量高、挥发分高、且易于风化破碎、容易发生自燃，不适于长途运输和储存，只能直接燃烧发电[2][3]。但褐煤直接燃烧不仅热效率低，而且易产生大量的粉尘，造成严重的环境污染[4]。

中国属于缺油、少气、富煤的国家，为适应国家经济的快速增长必要的从国外进口大量的非煤化石燃料以填补巨大的能源空缺，但是出于能源安全角度，又不能过度依赖国外进口，因此通过将储量很大，热值和利用价值不高的褐煤、风化煤等煤炭资源通过生物转化，以补充其他化石燃料之不足，就显得尤为重要。

同时通过生物转化降解获得的产品适应国家提倡的低碳之路和提高能源利用率的要求，为煤炭高效清洁利用和可持续发展开辟了一条新道路。

2.褐煤的组成

褐煤属于最年轻的煤，其煤炭形成经历了两个过程：泥炭化与煤化过程。泥炭化过程，植物体中的纤维素先降解为单糖，木质素则逐步氧化成结构复杂多变的腐植酸及水溶性的苯环衍生物，结果植物残体逐渐就转化呈腐殖质。其中大量的-OH -COOH 等活泼官能团及活泼的á-氢作用生成的新的产物如腐植酸和沥青等。形成的泥炭当被其它沉积物覆盖时，泥炭化阶段作用结束，生化作用逐渐减弱停止，紧接着在温度和压力为主的物化作用下，进入煤化阶段，泥炭就逐步转化成了褐煤因此煤中含有丰富的孔结构及大量的-OH -COOH 等典型结构。由于低阶煤中含有大量的-OH -COOH 等典型结构与木质素的结构的芳香族化合物相似，低阶煤分子中的侧链及桥键较多活性官能团含量较高易被微生物作用，因此可以采用含有木质素酶系可以对木质素进行降解的菌体对褐煤进行降解[5]。

3.褐煤微生物降解的机理

经过国内外人员的多年研究发现，煤的微生物降解具有可行性，降解过程随

具体的煤种、菌种和环境条件变化而存在差异。根据多年研究成果，研究者们总结了3种主要的降解机理：碱作用机理、生物螯合剂作用机理和酶作用机理[6]。

(1)碱作用机理：微生物在生长过程中产生的碱性物质。例如氨、多胺及一些肽类化合物参与煤的液化。1987年，Strandberg报道了放线菌培养过程中会产生一种胞外物质能够将煤液化，之后经提取检测发现这种物质不能被蛋白酶降解，同时他们还发现煤液化的过程随PH升高煤的液化量越高，由此他们判定之前所提的这种胞外物质并不是生物酶，而可能是一种碱性的代谢物质[7][8]。1989年Quigley的研究成果也表明微生物产生的碱性代谢物很可能是一种影响煤降解的因素之一[7][9]。但国内的一些学者在近几年的研究中，得到的结论是煤在降解过程中，培养基的PH值不但不会上升反而会下降，且液化煤量随PH值下降而上升，这种结论与国外研究人员得出的结论恰好相反，因此说碱性溶解机理有待于验证[10]。

(2)生物螯合剂作用机理：1998年，Quigley等报道褐煤中存在多价金属离子，这些金属离子在褐煤中起到了桥梁作用，在脱除这些多价金属之后，煤炭能够更多地溶解在稀碱之中，同时生物溶解增强发生的氧化作用减少[7][11]。之后Cohen 等人利用云芝溶解煤的试验中发现煤的溶解程度和草酸盐相关，试验证明褐煤的金属离子经螯合剂作用，煤的溶解度得以提高[12]。但是用昂贵的培养基培养微生物来产生碱性物质和螯合物，不但产生速度慢，而且目标产物浓度低，副产物多，从经济角度而言，这种途径并不适应于大规模化生产。

(3)酶作用机理：很早之前，人们就知道有些酶可以直接降解木质素，而褐煤属于一种转化不充分的低阶煤，还保留了很多原始植株的特性，通过成分分析也确定了褐煤中存在一定的木质素，由此人们推测这些能够降解木质素的酶是否也能够也能够降解褐煤，并且以能够降解木质素的微生物作为筛选溶解煤的微生物的最初基础。自然界中能够生成木质素降解酶可降解木质素的微生物大多数是担子菌纲目的白腐真菌。木质素降解酶系包括木质素过氧化酶、锰过氧化酶和其他过氧化酶。实际上，由于煤的生物降解是一个复杂的生化反应过程，菌种不同参与降解的活性物质也不同。同一菌种于不同培养基之中，对于不同的煤种而言，其产生的降解煤的活性物质也可能不同[7]。

根据上述的三种降解机理可知，第三种机理最适与试验研究，虽然纯酶的降解效率很高，但是对于纯酶的提取难度以及提取成本，决定了采用纯酶降解并不划算，因此试验普遍采用能够产生这些酶的菌体进行研究。

4.降解褐煤的微生物

对于微生物是否能够降解煤其主要依据在于它们的代谢产物之中是否包含分泌的酶、螯合剂等具有攻击煤之中或者类似于煤的有机化合物中某些成分、结构等的作用，而从现有的微生物中进行筛选[13]。例如，褐煤是一种转化不彻底的煤炭保留有部分的类似于植株木质素的结构，所以在筛选降解褐煤的微生物时可以考虑选择那些能够降解木质素的微生物比如黄孢平原革菌。煤中由于有芳环结构，可以采用球红假单胞菌进行研究。不同的微生物与不同煤样的作用之间存在一定的匹配关系。因此，不同煤种的降解煤的微生物的筛选就显得尤为重要。现今已经分离鉴定出来的降解煤炭的微生物有很多。细菌类有枯草芽孢杆菌，短小芽孢杆菌，蜡状芽孢杆菌和假单胞菌DLC-07。放线菌主要为链霉菌：Streptomyces Uiridosporus TTA， Streptomyces setonii 75vi2，Streptomyces